A2N科普 | 疫苗是如何保护我们的
揭开人体免疫系统的真面目……
想要了解疫苗是如何起到保护人体的作用吗？本文将带领大家了解疫苗的基本原理与传统疫苗技术。
说起疫苗，大家还是较为熟悉的，无论是小时候的小儿麻痹“糖丸”还是近几年的HPV疫苗。但是，如果具体要讲清楚疫苗是如何保护我们的，可能就不知其所以然了。
何为免疫反应？
我们生活在一个充满着各种各样微生物的环境之中，有些微生物会感染我们、引起疾病、并且给人体健康带来伤害。为了保护自己，人体产生了一些专门的细胞来抵御和应对这类微生物感染，它们是人体免疫系统的重要组成部分。
人体的免疫系统通过非特异性免疫(innate immunity)和特异性免疫(adaptive immunity)发挥作用（图1）。非特异性免疫，又称为先天性免疫，通过皮肤、粘膜作为外部屏障，体内的吞噬细胞等作用来抵御微生物的入侵， 完成非针对性反应(non-specific responses)。然而，当某种微生物的入侵不能被非特异性免疫所控制的时候，特异性免疫将会作为下一道机制被启动。
特异性免疫能够对特定的微生物做出针对性的反应。这些反应是由来自入侵微生物的特异性分子刺激人体免疫系统后所产生的应答反应—这些可对人体免疫系统产生刺激的分子（特别是刺激后能导致特定“抗体”分泌的），我们称其为“抗原” （antigen）。有两大类免疫细胞对特异性免疫反应至关重要，分别是T细胞和B细胞。
在非特异性免疫细胞分解清除入侵微生物的过程中，一类具有抗原呈递作用的细胞（树突状细胞，dendritic cells）能够将来自微生物的特异性抗原呈递于细胞表面。
这类具有呈递抗原分子的细胞可以作为一种信号，在淋巴结中激活与所呈递抗原相匹配的初始T细胞（naive T cells），使之增殖分化(proliferate and differentiate)成为效应T细胞(effector T cells)，包括辅助性T细胞(helper T cells)和杀伤性T细胞(killer T cells/cytotoxic T cells)。激活的辅助性T细胞通过分泌不同的细胞因子（包括炎症因子），招募更多免疫细胞来试图清理病原体（比如中性粒细胞、巨噬细胞等），并且在一些特定情况下帮助激活杀伤性T细胞，使其能攻击被病原体感染的细胞（特别在病毒感染的情况下），从而遏制感染在体内的蔓延（尤其针对病毒感染）。
同样在淋巴结中，初始B细胞（naive B cells）也被某些抗原相匹配的树突状细胞激活，而后，受一类辅助性T细胞的影响，活化的B细胞大量分裂复制，形成浆细胞(plasma cells)。浆细胞能够分泌大量抗体，抗体和抗原紧密结合，可破坏病原微生物的感染进程。
同时，吞噬细胞（如巨噬细胞）能够将与抗体结合的病原微生物清除。在病原微生物被消灭后，大部分特化的B细胞和T细胞会启动凋亡程序，从人体内消失。少部分特化的细胞会保留下来，成为记忆细胞(memory cells)，来应对下一次入侵。而疫苗技术则是利用了人体免疫具备“记忆”的这一特点，使得免疫系统不必再经历以上所描述的“初次应答”的步骤，可以更加快速地应对类似病原体的入侵：“记忆”的特化细胞可以被直接激活，参与应答。可参考图2。
疫苗能做什么？
人们在实践中通过模拟病原微生物的感染过程诱导特异性免疫反应，从而发明了疫苗技术。在中学生物学课本中提到，“疫苗的发明和应用，是现代医学最伟大的成就之一”。疫苗免疫的思路源于人类对天花的预防。人们发现这样一个事实：得过天花的人不会再感染天花。
18世纪，英国医师詹纳(Edward Jenner)调查研究发现，接种牛痘可以有效预防天花，并发表文章介绍接种牛痘的方法。从而为二十世纪人类消灭天花病毒感染奠定了基础，同时也为世界带来了疫苗技术。 “Vaccine”（疫苗）这个英文单词，就来源于牛痘。与天花病毒感染带来的致命性不同，牛痘病毒对人体的伤害很轻微，而更幸运的是，牛痘病毒引发的免疫反应可以有效对抗天花病毒的感染。
因此，就产生了这样一种认识——模拟一次温和的微生物感染过程来应对真正致命的微生物感染，希望以“生小病防大病”的思路来为人体提供免疫保护。
遵循这个认识以及对自身免疫系统不断深入的理解，人类不断发明改进疫苗技术来使疫苗更加安全有效。现如今，疫苗大致可以分为灭活疫苗、减毒活疫苗、类毒素疫苗、亚单位疫苗和载体疫苗（图4）。下面将对这几类疫苗技术做一个简要介绍。
灭活疫苗(inactivated vaccines)是将病原微生物进行灭活处理，类毒素疫苗(toxoid vaccines)则是分离出病原微生物的致病毒素片段作为疫苗。而亚单位疫苗(subunit vaccines)是由病原体能够刺激机体产生保护性免疫力的有效抗原制成。这些疫苗由于接种的抗原不能复制增殖，不具有感染性，虽然能在体内诱导产生记忆B细胞和记忆辅助性T细胞，但是不能形成记忆杀伤性T细胞，因此保护能力有限。免疫保护作用的时间有限。
减毒活疫苗(Live attenuated vaccines)通过在体外培育筛选病原微生物，选择出不具有毒性或者低毒性的突变体作为疫苗。这类疫苗接种了毒性较弱的病原微生物，能模拟自然的感染过程，诱导完整的免疫反应，因此免疫效果好，可以长时间起作用。但是这类疫苗具有一定的感染性，并且存在接种微生物变异的安全风险，因此这类疫苗不适用于有免疫缺陷的群体。
载体疫苗(carrier vaccines)是将病原微生物的抗原基因片段通过分子手段导入人体细胞，诱导完整的免疫反应。具有很好的免疫效果，又不具有感染的风险，同时疫苗生产过程周期更短，成本低廉。该技术近年来不断发展，前途光明，有希望作为未来疫苗的主力军。目前发展较快的有以腺病毒为载体的重组疫苗，mRNA疫苗等。但开发此类疫苗，仍有一些技术壁垒需要攻克，在未来的科普文章中我们将会对此有更详细的讨论。
然而，技术的发展并不总是一帆风顺的。由于对疫苗的作用原理不了解，加上疫苗生产商自身的质量问题，大众群体内存在许多关于疫苗的误解甚至恐慌，这在一定程度上也影响疫苗技术。这类误解包括：感染性疾病消失了是不是可以不接种疫苗、疫苗对人体有害、加强营养比疫苗更好等。
不可否认的是，由于每个人的免疫系统是不同的，有部分人接种疫苗后会有不良反应。大多数的不良反应都很轻微，会出现接种处酸痛、肿胀或发红等。还有些人会发烧、皮疹和疼痛。在严格的疫苗生产质量监管情况下，出现严重过敏反应的可能性非常低。理性来看，疫苗带来的益处大于不良反应的风险，疫苗依旧是目前控制乃至消灭传染病的最经济有效的技术。而且疫苗不仅对于个人有益处，对于群体也是有帮助的。即使个人由于对疫苗过敏无法进行接种，在大多数人接种的情况下，会出现“群体免疫”效应，也能降低个人感染的风险。【详见“群体免疫”科普，详细了解“群体免疫”效应如何能够阻断传染病的传播，进一步降低个人感染的风险】。
写在最后
时下，新冠病毒大暴发，大家都期待着疫苗的上市。全球多个团队都在紧锣密鼓地推进疫苗研发工作。中国也已经有疫苗进入临床试验阶段。新研发的疫苗需要先后在合适的动物模型和志愿者上进行免疫效果和安全性试验。之后还需要以合适的成本进行大规模生产。对于个人而言，勤洗手、戴口罩等防护措施仍然是目前预防感染的最佳选择。
【参考文献】
【1】Sompayrac L M. How the immune system works[M]. John Wiley & Sons, 2019.
【2】Plotkin S A. History of vaccination[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014, 111(34): 12283-122
「本文基于创作共同协议（BY-NC-ND），由A2N疫情志愿组发布仅用于疫情支援，请勿用于任何商业用途 ，内容不得擅自删改，疫情期间欢迎任何形式的署名转载。」
文稿撰写：小破
插图：Fraise、穆婷
审核、校对：穆婷、Fraise、渔儿
排版：vv
欢迎微博关注~
@A2N抗击新型冠状病毒
@A2N翻译科普资讯
